Significance of Cuscutain, a cysteine protease from Cuscuta reflexa, in host-parasite interactions

<p>Abstract</p> <p>Background</p> <p>Plant infestation with parasitic weeds like <it>Cuscuta reflexa </it>induces morphological as well as biochemical changes in the host and the parasite. These modifications could be caused by a change in protein or gene activity. Using a comparative macroarray approach <it>Cuscuta </it>genes specifically upregulated at the host attachment site were identified.</p> <p>Results</p> <p>One of the infestation specific <it>Cuscuta </it>genes encodes a cysteine protease. The protein and its intrinsic inhibitory peptide were heterologously expressed, purified and biochemically characterized. The haustoria specific enzyme was named cuscutain in accordance with similar proteins from other plants, e.g. papaya. The role of cuscutain and its inhibitor during the host parasite interaction was studied by external application of an inhibitor suspension, which induced a significant reduction of successful infection events.</p> <p>Conclusions</p> <p>The study provides new information about molecular events during the parasitic plant - host interaction. Inhibition of cuscutain cysteine proteinase could provide means for antagonizing parasitic plants.</p

Charakterisierung einer pflanzlichen Cysteinprotease aus Cuscuta reflexa

Cuscuta reflexa ist ein Pflanzenparasit der ohne Blätter und Wurzeln auf den Sprossen anderer Pflanzen wächst. Mit Hilfe der sogenannten Haustorien dringt der Parasit in das Gewebe des Wirts ein und erlangt auf diese Weise Assimilate, Nährstoffe und Wasser. Da Cuscuta spec. ein breites Wirtsspektrum hat und viele ökonomisch bedeutsame Pflanzen dazu zählen, kann dies unter Umständen zu beträchtlichen Schäden in der Landwirtschaft führen. Auf Tomatenfeldern in Kalifornien kommt es durch den Befall von C. pentagona regelmäßig zu 50 – 75 % Ernteausfällen. Neben anderen lytischen Enzymen wird die pflanzliche Cysteinprotease (Cuscuin) während der Interaktion mit einem kompatiblen Wirt in den Haustorien exprimiert. Cuscuin wurde in E. coli exprimiert und isoliert. Zur Charakterisierung wurde FTC-Casein als Substrat verwendet. Die optimalen Reaktionsparameter wie Temperatur, pH-, Km-- und der Ki-Wert zeigen, dass Cuscuin viele Gemeinsamkeiten mit Cysteinproteasen anderen parasitierenden Organismen aufweist. Das Enzym ist in einem neutralen oder leicht alkalischen Milieu stabil und weist ein Temperaturoptimum von 30 °C auf. Der Ki zeigt eine bemerkenswerte Inhibition der Protease durch das Propeptid. Andere pflanzliche Cysteinproteasen werden durch das Peptid wesentlich schwächer gehemmt. Die Tabakpflanze ist ein kompatibler Wirt für Cuscuta reflexa und wurde durch den Einsatz des Propeptids teilweise gegen den Angriff durch den Parasiten immunisiert. Das Peptid war identisch mit der Prosequenz von Cuscuin. Cuscuin scheint eine Schlüsselrolle bei der Hydrolyse von Abwehrenzymen und/oder der Mobilisierung von Speicherproteinen des Wirts einzunehmen, nachdem die Zellwand durch andere lytische Enzyme abgebaut wurde